UHPC 力學性能及在橋梁結構中的應用

劉瑜LIU Yu；黃荊HUANG Jing；劉曉貝LIU Xiao-bei

（①北京世紀千府國際工程設計有限公司，北京 100089；②桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004）

0 引言

1944 年，Larrard 和Serran 首次提出了超高性能混凝土UHPC（ultra-high performance concrete）的概念，同年，法國Richard 報道了最具代表性的超高性能混凝土——活性粉末混凝土RPC（Reactive Powder Concrete）[1]。UHPC作為新型材料，具有優異的力學性能，在橋梁、建筑等領域應用廣泛。美國、法國等國家近年來頒布了一系列與UHPC 相關的設計施工技術規范，為UHPC 的應用與推廣提供了參考依據。本文對UHPC 的基本性能研究成果以及對UHPC 材料在橋梁中的應用做出總結，以期為UHPC 材料與工程實際相結合提供一定的參考。

1 UHPC 的材料性能

與普通混凝土NC（normal concrete）以及高性能混凝土HPC（High Performance concrete）相比，UHPC 材料依據最密實堆積理論設計，有較低的水膠比與內部致密的水泥基石，并且剔除了較大粒徑的粗骨料，故其表現出了較強的抗壓能力。同時，由于UHPC 材料內部填充了一定數量的鋼纖維，使得UHPC 材料在開裂之后，由于鋼纖維的存在，使得材料仍具有一定的拉應力，此外，UHPC 的力學性能相比于普通混凝土得到了極大的提高，這決定了UHPC材料在工程中可以廣泛的推廣及使用以改善傳統混凝土結構的不足之處。

1.1 UHPC 的抗壓性能

作為混凝土結構的基本力學性能和結構設計的重要參數，抗壓強度一直是國內外研究的重點問題。

1.1.1 試件的尺寸效應對抗壓性能的影響

作為一種水泥基復合材料，尺寸效應對其抗壓強度會產生很大的影響，材料的抗壓強度與其尺寸、截面形式等具有一定的相關性。Yuliarti 等[2]研究了立方體和圓柱體兩種不同類型、不同鋼纖維體積摻量的UHPC 的抗壓強度，采用的圓柱體尺寸為100×200mm（直徑×高度），立方體試塊的邊長為100mm。試驗結果表明，立方體和圓柱體試樣之間不同鋼纖維摻量所對應的平均抗壓強度轉換系數分別為0.89（0%）、0.94（1%）以及0.94（2%），這與之前Leubecher 所提出的轉換因子0.96 較為接近。蘇捷等[3]設計水膠比分別為0.16、0.18 和0.2 的多個強度等級和纖維摻量的超高性能混凝土立方體試塊，由抗壓強度試驗可知，UHPC 立方體抗壓強度與鋼纖維的體積摻量以及尺寸效應有關，通過試驗得到的各纖維摻量尺寸效應關系提出了UHPC 立方體抗壓強度的尺寸效應率。試驗結果表明，隨著試件尺寸的增大，抗壓強度逐漸降低，進一步分析原因發現，試件澆筑成型時，鋼纖維的分布會出現“箍筋”一樣的邊壁效應，且試件的邊壁效應與尺寸效應成正相關，即試件尺寸越小，尺寸效應越強。同時，小尺寸試件極易產生鋼纖維結團現象，使得尺寸效應加強。Skazlic 等[4]研究了不同尺寸的UHPC 圓柱體試件抗壓強度，得到了70×140mm（直徑×高度），100×200mm，150×300mm 的試件抗壓強度轉化系數，其研究分析結果如下：若采用100×200的圓柱體試塊作為標準試塊，則70×140 以及150×300 的試塊抗壓強度轉化系數分別為1.05～1.15、0.85～0.95。

1.1.2 鋼纖維摻量對抗壓強度的影響

鋼纖維作為UHPC 的重要組成部分，其摻入量對于超高性能混凝土的抗壓強度影響顯著。沈從春等[5]通過立方體以及軸心抗壓強度試驗，研究分析了鋼纖維摻量分別為0.5%、1%、1.5%、2%以及2.5%時的抗壓強度，試驗結果顯示，在摻量為2.5%時，軸心抗壓強度與立方體抗壓強度相比于鋼纖維摻量為0%的水泥基體分別提高了25.61%以及25.49%，且相同纖維摻量的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度的比值相差較小，其比例系數均穩定在0.86。楊簡等[6]分析了對鋼纖維摻量以及所摻入的鋼纖維長度和直徑不同對UHPC 強度的影響，其數據結果如圖1 所示。

圖1 鋼纖維摻量對抗壓強度影響

經試驗結果分析，鋼纖維摻量是影響其抗壓強度的主要因素，取文獻10 中鋼纖維摻量為2%的抗壓強度數據進行對比分析，抗壓強度隨長徑比的增大而增大。鋼纖維摻量越大，其增大的幅度越明顯。如圖2 所示。

圖2 纖維長徑比對抗壓強度的影響

1.1.3 其他因素對UHPC 抗壓強度的影響

除上述影響因素之外，UHPC 材料的抗壓強度還受砂的種類、澆筑時間、澆筑溫度等多種不同因素的影響。王冠等[7]設計多個對比試驗，分析了不同配合比、鋼纖維摻量、以及砂的種類對UHPC 材料的影響。試驗結果顯示，通過提高硅灰的摻量可以提高UHPC 的強度。試驗中采用了四種不同砂的類型，分別為海沙、江砂、機制砂以及石英砂，試驗結果表明，海砂、河砂中由于存在較多的雜質，且海砂中存在一定的化學反應，會生成一定的滲透性或膨脹性的軟物質，在混凝土中形成微小空隙，對抗壓產生明顯的不利影響，故其強度明顯低于石英砂，而機制砂是經過人工破碎而成，表面粗糙且形狀不規則，顆粒與顆粒之間的咬合力增強，故其抗壓強度最高。Kazemi 等[8]研究發現，澆筑時間對于UHPC 的抗壓強度也有一定的影響，并且得到了UHPC 的抗壓強度與澆筑時間的關系公式。Craybeal[9]采用相同配比的試件，研究分析了養護溫度對UHPC 抗壓性能的影響，并通過曲線擬合，得到了養護溫度和抗壓強度的關系式。

1.2 UHPC 材料的抗拉性能

UHPC 材料由于內部摻加了大量的鋼纖維，使得其受拉性能相比于普通混凝土而言得到了很大的提升。以UHPC 板受負彎矩作用為例，當板受到負彎矩作用，上部UHPC 層開裂，水泥基體退出工作，由于鋼纖維的橋接作用使其仍具有一定的抗拉強度，故普通混凝土規范中，忽略混凝土的抗拉作用的計算方法并不適用于UHPC 材料，會導致計算過于保守，造成材料浪費。同時，與纖維混凝土相比，UHPC 材料的水泥基體內部致密，因此，UHPC 的水泥基體對于鋼纖維的握裹力要遠高于普通纖維混凝土。UHPC 材料優良的抗拉性能使得其應用的廣度以及應用的范圍不斷增加，理論體系也日漸趨于完善。

1.2.1 鋼纖維對UHPC 材料受拉的影響

沈秀將等[10]對設計的試件進行直接拉伸試驗（DTT）、四點彎試驗（4PBT）來測試纖維取向分布及UHPC 薄層的抗拉性能，試驗結果顯示，隨著纖維流動距離變化，薄板內的非彈性部分抗拉性能較大，且抗拉強度以及極限應變隨纖維流動距離增大而增大。且采用4PBT 試驗所得值普遍高于DTT 試驗，如圖3 所示。

圖3 試驗類型對抗拉強度的影響

邵旭東等[11]研究了2%鋼纖維特性對UHPC 軸拉性能與彎拉性能的影響，設計了500mm×100mm 截面的狗骨頭型試件以及100mm×100mm×400mm 的棱柱體試塊分別測量試件的軸拉性能以及四點彎拉性能，以瑞士UHPC 指南中所規定的終止條件進行加載，結果顯示，混凝土裂縫開裂時只有一條主裂縫，且斷裂面呈現彎曲形狀，原因在于鋼纖維被拔出時為亂象分布。對文獻中長徑比為59 的端鉤型以及平直型試件各應變點繪制應力應變曲線，如圖4所示。

圖4 鋼纖維類型對拉應力的影響

以軸拉應變為3000×10-6為分界點，在此之前，端鉤型試件的軸拉應變大于平直型，當裂縫開展到一定寬度后，由于端鉤型試件被拉直的過程中會對水泥基體產生一定的損傷，故平直型試件的軸拉強度反而會強于端鉤型試件。

摻入體積為2%的鋼纖維，軸拉峰值強度相比于無纖維的強度可以提高約11～12%，彎拉峰值強度可提高0.8～2.0 倍。纖維的長徑比對于彎拉的影響比其軸拉更加顯著如圖1 所示，且其彎拉韌性隨著纖維的長徑比增加而呈現出了遞增的趨勢。如圖5 所示。

圖5 彎拉與軸拉試驗

胡翱翔等[12]設計了8 字型試件，通過加大端頭兩端提拉的方法，研究了鋼纖維摻量與抗拉強度的關系，對鋼纖維摻量和抗拉強度關系曲線進行曲線擬合后，如圖6 所示，得出鋼纖維摻量與UHPC 抗拉強度的關系式（1），如下：

圖6 纖維摻量對抗拉強度影響

其中，ft0為不摻加鋼纖維時的抗拉強度，Vf為鋼纖維的體積摻量，為鋼纖維的長徑比。

1.2.2 UHPC 的受拉本構關系

張哲等通過設計四種混合鋼纖維摻量的棱柱體UHPC 試件，采用直接拉伸的方法，得到不同試件的應力-伸長率曲線以及應力-裂縫寬度曲線，根據試驗曲線提出了包含應力-應變關系以及應力-裂縫寬度關系的兩階段本構模型。在UHPC 材料達到極限應變之前采用雙線性本構關系[13]。

在應力軟化階段，基于材料的斷裂特點，以最小斷裂能原理為基礎，在Stang 等提出的指數型經驗公式的基礎上，提出了兩種應力-裂縫寬度的關系模型[14]，即指數函數應力-裂縫寬度關系：

雙段線性函數應力-裂縫寬度關系[14]，

與以往所提出的指數型經驗公式模型相比，其優勢在于，形式得到了極大的簡化，且與試驗結果的擬合參數較高，在0.95～1.08 范圍內波動。

李立峰等基于雙折線本構關系對兩階段拉伸本構模型在應力軟化階段進行了調整，根據法國規范，將應力-裂縫寬度關系轉化為應力應變關系后，得到軟化階段的曲線受拉階段本構關系[15]，即

其中取Wp=1.0mm，p=0.95，εpc=0.002。

胡翱翔等通過以4%的鋼纖維軸拉試驗得到應力應變關系曲線，根據曲線取其上升段與下降段分別進行分析，分別假設上升段與下降段的方程[12]為：

由上升段與下降段的邊界條件等，確定方程中各參數值，將各參數帶入方程（6）、（7），后通過試驗擬合，得到擬合系數為0.025 時效果最佳，故UHPC 的受拉本構[12]為：

2 UHPC 材料在橋梁工程中的應用

UHPC 材料憑借其優良的力學性能，在橋梁結構中的應用研究日漸增加，由于其具有較好的抗拉強度，故在橋梁工程中，多用于混凝土橋面或鋼橋面的橋面板受拉區加固薄層中。

根據UHPC 材料性能方面的優勢，針對橋面鋪裝層易受拉損壞以及疲勞開裂等問題，出現了多種新型橋梁結構形式，邵旭東等[1]提出了三種輕型組合梁的形式，在傳統正交異性鋼橋面板上鋪設UHPC 薄層的輕型組合梁、正交異性鋼橋面板UHPC 薄層、鋼梁UHPC 薄層，并對這三種新型組合梁的受力機理、靜力特性以及疲勞性能進行了分析研究，結果顯示，在鋼結構的設計范圍內，UHPC 層不會開裂，鋼-UHPC 組合了的破壞模式是鋼結構受壓局部失穩，即鋼結構先于UHPC 破壞。

為解決鋼-混組合梁的負彎矩混凝土板開裂問題，羅兵等[16]提出在組合梁的負彎矩區內采用UHPC 層代替普通混凝土層，通過利用UHPC 材料優良的抗拉性能來減緩負彎矩區裂縫的開展，從而提高組合梁的抗開裂性能。設計三根試驗梁進行正位的加載試驗，對比分析鋼-UHPCNC 組合梁與鋼-NC 組合梁受力性能的同時，驗證不同配筋率對梁的影響，試驗結果表明，UHPC 層裂縫與C50 混凝土層裂縫的分布具有相反的特點，UHPC 層裂縫數量較多，寬度較小，主要集中在跨中區和加載段，當提高UHPC板的配筋率時，較高的配筋率使得結構的應力重分布更加明顯，從而使得裂縫的分布相對分散。

而C50 混凝土數量少、寬度大裂縫分布均勻且全截面貫穿。并且，經試驗分析發現，通過在梁的負彎矩區加設UHPC 薄層，組合梁在彈性階段的剛度提升了7～20%，對于其彈塑性和塑形階段來說，UHPC 層對于剛度的貢獻不大，在試驗過程中，UHPC 層與NC 層并未發生相對滑移以及粘接破壞，故可證明UHPC 與NC 可以形成較強的組合作用。

類似的劉君平等以某鋼-普通混凝土簡支組合梁橋為背景，通過設計鋼-UHPC 組合梁以及鋼-普通混凝土組合梁模型來進行抗彎性能的對比試驗，結果表明，兩種組合梁的破壞模式，都是鋼梁受壓屈服后，橋面板的混凝土被壓碎，但鋼-普通混凝土的破壞形態為加載點處混凝土片狀壓碎破壞，而鋼-UHPC 混凝土的破壞形態則為純彎段的中部出現范圍較小的帶狀壓碎，因此，采用鋼-UHPC 組合梁使得破壞時的脆性現象得到了明顯的改善，且其剪力滯效應以及鋼梁與橋面板間的相對水平滑移均小于鋼-普通混凝土組合梁，同時由于UHPC 材料性能遠高于普通混凝土材料，故組合梁呈現出“鋼梁弱，UHPC 板強”的特點，在設計時，可以考慮降低UHPC 板的厚度，相同的抗彎極限承載力的條件下，UHPC 板相比于普通混凝土板可以減薄28%。

朱勁松等[17]通過設計4 根鋼-UHPC 華夫組合梁開展了負彎矩抗彎性能的試驗研究，對比分析了板肋高度比，配筋率等因素對鋼-UHPC 華夫組合梁承載力的影響。

3 結束語

綜上，UHPC 力學性能優異，使得國內外對于該種材料的研究形成了初步的理論體系，但仍然存在許多不足之處。

對于鋼纖維的摻量、類型等對UHPC 強度影響的研究已經十分充分，但對于UHPC 制備工藝的研究還需進一步完善。

且對于鋼纖維的研究性能較為分散，均只是針對某一點的性能進行研究，如何得到包含經濟性在內的綜合性能最優配比，成為目前面臨的一個重要的問題。

混雜鋼纖維可以提高UHPC 的抗拉強度、極限應變等，但對于混雜型纖維的摻加比例，以及其對UHPC 的影響系數等還需進行進一步做定量研究。

UHPC 薄層現多應用于橋面板結構中，由于UHPC 橋面板的優異力學性能，使得UHPC 層可以很薄，鋼板與UHPC 采用栓釘連接，當UHPC 層很薄時，需進行栓釘形式上的創新，如何創新栓釘的結構形式是進一步發展UHPC 組合梁的關鍵。